基于实例分析的大坝工程除险加固设计

廖航兵

(广东省水利电力勘测设计研究院，广州510635)

1 工程概况

某水库采用土石混合坝，最大坝高20 m，由于建设年代较早、缺乏后期改建或扩建，水库大坝的部分指标已经无法满足现行标准和规范的要求，并且长期处于带病运行的不良状态。为确保大坝的安全稳定运行，管理部门会同相关单位对大坝进行了一次全面检查，证实大坝目前主要存在着以下问题:①防洪能力无法满足现行标准和规范的要求;②缺乏消能设施:在建设之处，大坝溢洪道下游就未设置消能防冲设施，其后也未进行增设;③坍塌与变形:坝体黏土斜墙存在局部坍塌的问题，左坝段反滤层存在局部渗透变形问题;④设备老化:放水涵洞进水口的闸门启闭机年久失修，已无法正常运作。

参照现行标准和规范的要求，该水库的设计洪水为50a 一遇，校核洪水应为500 a一遇，但实地检查结果显示，坝顶、防浪墙高程、断面抗滑系数(各工况条件下)均未达到标准要求、结构稳定评级B 级。同时，大坝渗流比降些许超高，渗流量较小，局部存在集中渗漏的问题，反滤层局部存在渗透变形，大坝稳定评级C 级。

2 除险加固方案

鉴于迎水坡面的护坡块石已经严重风化，本次出现加固工程需以钢筋混凝土板或沥青护坡代替原有的块石护坡;鉴于坝体防渗斜墙局部存在填筑压实度、渗透性低于规范要求的情况，应采用灌浆或复合土工膜的方式对坝体防渗斜墙进行加固。

为实现以上目标，设计人员在初期设计阶段共形成了以下8 种备选方案:

方案1:进一步提升坝顶高程，直至满足现行标准和规范的要求。该方案实施后，水库上游的部分村庄将被淹没，政策处理方面难度较高。

方案2:于坝体右肩新建溢洪道。虽然右岸山体满足新建溢洪道的条件，但左坝肩已有溢洪道，新开溢洪道容易带来大坝失稳的问题。

方案3:将新开溢洪道(长度251.3 m)的位置选在大坝右岸公路边垭口处，同时设置自控翻板闸门。溢洪道的泄水槽、出水渠、进口及控制段分别为130.3 m、84 m、37 m，采取面流消能，消力池高1.8 m、长32 m。

方案4:在不改变水库正常蓄水位的同时，充分利用自控闸门的性能，在溢洪道堰体上直接开凿门槽，随后沿溢洪道轴线方向安装自控翻板闸门，闸门前布置三道移动式拦污栅栏。

方案5:于侧槽左肩山体处开凿正槽，同时对侧槽堰顶进行整理，提升流量系数至0.45;重建溢流坝段，新设5×5 m 闸门作为非常溢洪道。施工结束后，自由溢流堰顶前沿长50 m，正、侧槽分别为15 m、35 m，流量系数0.45。虽然该方案同样涉及山体爆破施工，但范围相对较小，在全面、充分的保护措施的支持下，坝体稳定性就不会受到来自爆破作业的影响。

方案6:拆除左肩坝体约15 m、拆除全部侧槽，新建平行于坝轴线方向的溢流堰，同时，设置6×3.5 m的闸门三扇，闸顶、底高程分别为286.9 m、283.4 m。该方案的资金需求较多，而且后续的运行管理工作难度较高。

方案7:左肩山体开凿正槽前沿至23 m，同时整理堰顶。施工结束后，流量系数应为0.407，正常蓄水位应为286.1 m。该方案涉及山体爆破施工，而且爆破施工的范围较大，存在着威胁坝体稳定与安全的可能性。

方案8:将溢流堰左肩正槽段宽度增加至15 m，将侧槽溢流前沿长度增加至53 m，同时整理堰顶。施工结束后，侧槽溢流堰堰顶高程应为285.9 m，流量系数应为0.502。该方案同时涉及小范围爆破保护以及溢流堰整理，在综合比对各方案优缺点的基础上，最终确定方案八为本次除险加固工程设计方案。

3 除险加固实施

3.1 工程布置与结构型式

加固后，坝顶长、宽、高程分别为65.0 m、3 m、288.1 m，设置于坝顶上游的L 型防浪墙(高1.3 m、厚30cm、墙顶高程289.4 m)采用C15 混凝土现浇。由于坝顶混凝土路面、下游浆砌石块石防浪墙的风化破损问题非常严重，因此将其全部拆除，按标高288.1 m、宽2.6 m 的规格重新浇筑C15 混凝土路面层。坝体采用土石混合坝，坝坡、护坡、防渗斜墙、下游坝坡堆石体均在本次加固范围之内。

鉴于上游坝坡存在着严重的渗漏和塌陷问题，设计人员采用了全部拆除原有坝坡干砌石再新铺预制块混凝土护坡(厚度10 cm)的方法，以此提高其抗冲刷的能力。以马道为界，将上游坝坡分为上下两段，坡比分别为1∶2、1∶2.5。砌石选择花岗岩，块石长度0.8 ～1.2 m，短边≥40 cm，单块重约300 kg。堆石所用石料单块重约100 kg，孔隙率35%，设计容重1.65 t/m3。

在查明防渗墙运行情况的基础上，拟将原防渗体挖除约3 m，各渗漏点均接受开挖、回填处理并夯实至开挖线。随后，填筑防渗斜墙至大坝设计断面，以库区内的黏壤土填作为筑材料(粒径＜2cm，砾石含量5 ～25%，土层渗透系数3.95×10－7～2.55×10－4cm/s)。反滤层底部、顶部厚度分别为1.0 m、0.6 m［1］。

3.2 泄水建筑物加固

在本次除险加固工程中，设计人员为泄水建筑物制定了以下处理措施:①减少正常蓄水位至285.9 m;②对溢洪道进行相应处理，提升流量系数至0.502;③溢洪道正槽段向左侧山体开挖，提升溢流前沿宽度至53 m。

侧槽为开敞式，基岩以弱防滑凝灰岩为主，岩体工程地质类别为Ⅰ类，坚硬致密，节理裂隙不发育，岩体完整性较好，裂隙面有铁锰质渲染。溢洪道由三部分组成，分别为正槽段(长12.66 m)、侧槽段(长36.05 m)、圆弧段(长4.29 m)，堰型均为WES实用堰。

开挖原溢流堰至283.4 m以下，堰身、溢流面分别采用C20 混凝土、C25 钢筋混凝土。重新开挖泄槽，使底坡坡降达到10.82%，底坡、边坡护面均采用C20 混凝土(厚20 cm)。采用长度8 m、直径28 mm的随机锚杆进行侧槽山体边坡支护。对于泄水槽末端被裂缝贯穿的岩石，工作人员采取了全部挖除并以混凝土回填、钢筋锚固的处理办法，以便使消能设施恢复至原状。采用挑流效能的方式，同时结合相关标准、规范的要求得出理论计算结果，在下游河道设置冲刷坑，以便使可能存在的安全隐患得到彻底消除。

4 结 语

除险加固处理前，水库大坝存在着坝顶、防浪墙高程、断面抗滑系数(各工况条件下)均无法满足标准要求等一系列问题。结合除险加固工程的主要任务以及水库大坝的实际情况，设计人员在对比多项方案的基础上最终采用了第八套设计方案，即拓宽溢流堰左肩正槽段至15 m，延长侧槽溢流前沿总长至35 m，减少侧槽溢流堰堰顶高程至285.9 m，增加流量系数至0.502。

综上所述，本次研究针对某水库大坝当前存在的病害问题，提出了相应的除险加固策略，这些策略的实施将使水库大坝的运营情况得到明显改观，希望本次研究对于相关除险加固方案的分析和讨论能够为实际工作的有效开展提供思路上的参考与方法上的借鉴。

［1］戴成宗.华山水库除险加固大坝计算分析［J］.黑龙江水利科技，2014，42(10):44－47.